基于力控的四足机器人高动态运动控制方法研究
发布时间：2022-01-25 18:14
自然界中四足动物运动具有极强的灵活运动和复杂地形适应能力,如猎豹最快奔跑速度可以达到110km/h,羚羊可以跳跃6～7米的沟壑,岩羊可以在接近90度峭壁上站立。受此启发,仿生四足机器人的研究受到越来越多研究者的重视,国内外已研制出多款高动态四足仿生机器人,尤其是美国波士顿动力公司研制的BigDog、SpotMini等四足机器人,以其动态性能高、鲁棒性强等特点引领人们探索四足机器人的极大热情。本文立足于课题组研究的SCalf系列液压四足机器人和电动四足机器人,开展了四足机器人建模和运动控制相关的研究。按照从液压执行器建模到单腿柔顺控制再到四足机器人整体控制研究思路,针对机器人平台和运动性能要求提出了基于倒立摆模型的控制、基于最优足底力分配的控制和基于模型预测控制的三种不同四足机器人运动控制方法,主要包括如下内容:1.针对阀控非对称液压油缸,将多参数影响、非线性的输出力通过线性化建立近似模型,提出了前馈加反馈的输出力控制方法,实现了液压驱动关节的扭矩伺服。进而研究了基于位置阻抗和虚拟模型的机器人腿部主动柔顺控制方法,并通过单腿物理实验证明了主动柔顺控制可实现被动弹性元件的柔顺特性,显著减小...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２波士顿动力四足机器人发展图??
这样的机器人设计使得成本极低，而且机器人的动态性能高，是第一个??实现四足机器人后空翻动作的机器人，基于ＷＩＢＣ和ＭＰＣ控制方法其最快运动??速度达到３．７ｍ／ｓ，且包括ｇａｌｌｏｐ、ｂｏｕｎｄ等６种步态均可实现稳定运动｜３２］？??■?Ｈｉ?＿＿??ＭＩＴＪｕｎｉｏｒ?Ｃｈｅｅｔａｈ?ＭＩＴ?Ｃｈｅｅｔａｈ?ＭＩＴ?Ｃｈｅｅｔａｈ?２?ＭＩＴ?Ｃｈｅｅｔａｈ?Ｂ?ＭＵ?Ｃｈｅｅｔａｈ?ｍｉｎｉ??２〇〇９?２０１２?２０１７?２〇１９??－４?ｉ?Ｊ?１?１?？??图１－３?ＭＩＴ四足机器人发展图??欧洲的意大利理工学院（丨丨丁）的先进机器人部和苏黎世联邦理工也是研宄??四足机器人比较早的科研机构，ＩＩＴ从２００７年开始研究ＨｙＱＰ＇４０】机器人，２０１０??年正式推出，该机器人横滚关节为电机驱动，大小腿的俯仰关节为液压驱动。１１Ｔ??在主动柔顺和稳定控制方法上做出了很多研究，基于主动柔顺的四足机器人能够??实现Ｔｒｏｔ，Ｆｌｙｉｎｇ?Ｔｒｏｔ，Ｗａｌｋ等步态，其最快速度可达到２ｍ／ｓ。基于优化足底力??分配的Ｗａｌｋ步态可在两个５０°斜坡构成的地形下运动Ｍ。为方便验证算法２０１５??年又设计了轻量化的ＭｉｎｉＨｙＱ［４１］机器人，该机器人是液压驱动下最轻的四足机??器人，重量仅有３５?ｋｇ，由于在横滚关节上使用液压旋转缸，这使得机器人能够??有足够的关节旋转范围实现异常状态下的初始位置恢复。同年推出的??ＨｙＱ２Ｍａｘｌ４２】机器人，比起ＨｙＱ该机器人更坚固、输出功率更大大、运动能力更??强并且和自校正，使得机器人具有更强的鲁棒性。ＨｙＱＲｅａｌｌ４３］机器人则是２０１９??年推出的最新机器人，其１．
?探索自由步态，极大的提升了机器人的运动能力。ＡＮＹｍａｌ－Ｃ则是商业版的四足??机器人力求应用在真实生活、工作环境中，由于其关节实现了模块化，很容易实??现机器人的故障排查和检修。??ＨｙＱ?ＭｉｎｉＨｙＱ?ＨｙＱ２Ｍａｘ?ＨｙＱ－Ｒｅａｌ??２０１０?２０１５?２０１５?２０１９??—＾?；????１?????－ｔ??？??ＳｔａｒｌＥＴＨ?ＡＮＹｍａｌ?Ｉ?ＡＮＹｍａｌ－Ｃ??２０１０?２０１７?，２０１７??盡条??ｉｒｎ?＼?１??图１－４欧洲典型四足机器人发展图??１．２．２国内四足机器人发展现状??近年来国内四足机器人发展速度加快，在电驱动四足机器人方面，２０１６年??浙江大学和江南机器人公司联合发布了?“赤兔”［５１］机器人，如图１－５所示，该机??器人具备Ｔｒｏｔ和Ｂｏｕｎｄ步态功能，能够爬楼梯和适应一定程度的崎＿地形。２０１７??年浙大四足机器人团队发布了“绝影”机器人，该机器人重量为７０ｋｇ，有效载??重２０ｋｇ，该机器人是国内首个实现动步态上台阶的四足机器人，具有多种步态??运动能力，能够对外力扰动做出快速响应恢复稳定。２０１９年推出“绝影ｍｉｎｉ”??和“绝影ｐｒｏ”四足机器人，运动性能上机器人可以实现稳定的Ｂｏｕｎｄ步态，并??对起伏台阶具有良好的实用性，机器人能够跳跃穿过空中挂圈，展示了机器人良??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]负载型四足步行平台静步态行走虚拟模型控制[J]. 谭永营,晁智强,金毅. 科学技术与工程. 2018(36)
[2]基于虚拟模型的自适应解耦抗扰控制[J]. 葛锁良,张凯,平兆武. 控制理论与应用. 2019(02)
[3]四足机器人坡面运动时的姿态调整技术[J]. 韩宝玲,贾燕,李华师,罗庆生,周晨阳. 北京理工大学学报. 2016(03)
[4]面向足式机器人的P-Q阀控非对称液压缸位置闭环刚度特性研究[J]. 马聪,蒋振宇,王鹏飞,查富生. 机械与电子. 2015(11)
[5]四足机器人对角小跑步态全方位移动控制方法及其实现[J]. 孟健,李贻斌,李彬. 机器人. 2015(01)
[6]连续不规则台阶环境四足机器人步态规划与控制[J]. 孟健,李贻斌,柴汇,李彬. 机器人. 2015(01)
[7]一种粗糙地形下四足仿生机器人的柔顺步态生成方法[J]. 鄂明成,刘虎,张秀丽,付成龙,马宏绪. 机器人. 2014(05)
[8]高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现[J]. 柴汇,孟健,荣学文,李贻斌. 机器人. 2014(04)
[9]基于CPG原理的机器人运动控制方法[J]. 郑浩峻,张秀丽,李铁民,段广洪. 高技术通讯. 2003(07)
博士论文
[1]液压驱动四足机器人柔顺及力控制方法的研究与实现[D]. 柴汇.山东大学 2016
[2]四足机器人主动柔顺及对角小跑步态运动控制研究[D]. 张国腾.山东大学 2016
[3]基于多层CPG的足式机器人运动控制研究[D]. 王婷婷.哈尔滨工业大学 2014
[4]四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究[D]. 张秀丽.清华大学 2004
硕士论文
[1]四足仿生机器人跑跳运动规划与控制[D]. 李川.浙江大学 2017
本文编号：3609004
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２波士顿动力四足机器人发展图??
这样的机器人设计使得成本极低，而且机器人的动态性能高，是第一个??实现四足机器人后空翻动作的机器人，基于ＷＩＢＣ和ＭＰＣ控制方法其最快运动??速度达到３．７ｍ／ｓ，且包括ｇａｌｌｏｐ、ｂｏｕｎｄ等６种步态均可实现稳定运动｜３２］？??■?Ｈｉ?＿＿??ＭＩＴＪｕｎｉｏｒ?Ｃｈｅｅｔａｈ?ＭＩＴ?Ｃｈｅｅｔａｈ?ＭＩＴ?Ｃｈｅｅｔａｈ?２?ＭＩＴ?Ｃｈｅｅｔａｈ?Ｂ?ＭＵ?Ｃｈｅｅｔａｈ?ｍｉｎｉ??２〇〇９?２０１２?２０１７?２〇１９??－４?ｉ?Ｊ?１?１?？??图１－３?ＭＩＴ四足机器人发展图??欧洲的意大利理工学院（丨丨丁）的先进机器人部和苏黎世联邦理工也是研宄??四足机器人比较早的科研机构，ＩＩＴ从２００７年开始研究ＨｙＱＰ＇４０】机器人，２０１０??年正式推出，该机器人横滚关节为电机驱动，大小腿的俯仰关节为液压驱动。１１Ｔ??在主动柔顺和稳定控制方法上做出了很多研究，基于主动柔顺的四足机器人能够??实现Ｔｒｏｔ，Ｆｌｙｉｎｇ?Ｔｒｏｔ，Ｗａｌｋ等步态，其最快速度可达到２ｍ／ｓ。基于优化足底力??分配的Ｗａｌｋ步态可在两个５０°斜坡构成的地形下运动Ｍ。为方便验证算法２０１５??年又设计了轻量化的ＭｉｎｉＨｙＱ［４１］机器人，该机器人是液压驱动下最轻的四足机??器人，重量仅有３５?ｋｇ，由于在横滚关节上使用液压旋转缸，这使得机器人能够??有足够的关节旋转范围实现异常状态下的初始位置恢复。同年推出的??ＨｙＱ２Ｍａｘｌ４２】机器人，比起ＨｙＱ该机器人更坚固、输出功率更大大、运动能力更??强并且和自校正，使得机器人具有更强的鲁棒性。ＨｙＱＲｅａｌｌ４３］机器人则是２０１９??年推出的最新机器人，其１．
?探索自由步态，极大的提升了机器人的运动能力。ＡＮＹｍａｌ－Ｃ则是商业版的四足??机器人力求应用在真实生活、工作环境中，由于其关节实现了模块化，很容易实??现机器人的故障排查和检修。??ＨｙＱ?ＭｉｎｉＨｙＱ?ＨｙＱ２Ｍａｘ?ＨｙＱ－Ｒｅａｌ??２０１０?２０１５?２０１５?２０１９??—＾?；????１?????－ｔ??？??ＳｔａｒｌＥＴＨ?ＡＮＹｍａｌ?Ｉ?ＡＮＹｍａｌ－Ｃ??２０１０?２０１７?，２０１７??盡条??ｉｒｎ?＼?１??图１－４欧洲典型四足机器人发展图??１．２．２国内四足机器人发展现状??近年来国内四足机器人发展速度加快，在电驱动四足机器人方面，２０１６年??浙江大学和江南机器人公司联合发布了?“赤兔”［５１］机器人，如图１－５所示，该机??器人具备Ｔｒｏｔ和Ｂｏｕｎｄ步态功能，能够爬楼梯和适应一定程度的崎＿地形。２０１７??年浙大四足机器人团队发布了“绝影”机器人，该机器人重量为７０ｋｇ，有效载??重２０ｋｇ，该机器人是国内首个实现动步态上台阶的四足机器人，具有多种步态??运动能力，能够对外力扰动做出快速响应恢复稳定。２０１９年推出“绝影ｍｉｎｉ”??和“绝影ｐｒｏ”四足机器人，运动性能上机器人可以实现稳定的Ｂｏｕｎｄ步态，并??对起伏台阶具有良好的实用性，机器人能够跳跃穿过空中挂圈，展示了机器人良??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]负载型四足步行平台静步态行走虚拟模型控制[J]. 谭永营,晁智强,金毅. 科学技术与工程. 2018(36)
[2]基于虚拟模型的自适应解耦抗扰控制[J]. 葛锁良,张凯,平兆武. 控制理论与应用. 2019(02)
[3]四足机器人坡面运动时的姿态调整技术[J]. 韩宝玲,贾燕,李华师,罗庆生,周晨阳. 北京理工大学学报. 2016(03)
[4]面向足式机器人的P-Q阀控非对称液压缸位置闭环刚度特性研究[J]. 马聪,蒋振宇,王鹏飞,查富生. 机械与电子. 2015(11)
[5]四足机器人对角小跑步态全方位移动控制方法及其实现[J]. 孟健,李贻斌,李彬. 机器人. 2015(01)
[6]连续不规则台阶环境四足机器人步态规划与控制[J]. 孟健,李贻斌,柴汇,李彬. 机器人. 2015(01)
[7]一种粗糙地形下四足仿生机器人的柔顺步态生成方法[J]. 鄂明成,刘虎,张秀丽,付成龙,马宏绪. 机器人. 2014(05)
[8]高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现[J]. 柴汇,孟健,荣学文,李贻斌. 机器人. 2014(04)
[9]基于CPG原理的机器人运动控制方法[J]. 郑浩峻,张秀丽,李铁民,段广洪. 高技术通讯. 2003(07)
博士论文
[1]液压驱动四足机器人柔顺及力控制方法的研究与实现[D]. 柴汇.山东大学 2016
[2]四足机器人主动柔顺及对角小跑步态运动控制研究[D]. 张国腾.山东大学 2016
[3]基于多层CPG的足式机器人运动控制研究[D]. 王婷婷.哈尔滨工业大学 2014
[4]四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究[D]. 张秀丽.清华大学 2004
硕士论文
[1]四足仿生机器人跑跳运动规划与控制[D]. 李川.浙江大学 2017
本文编号：3609004
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